(57)【要約】【課題】  本発明は、風の流れをタービンに送達するためのウィンドタワー（１０）に関する。【解決手段】  ウィンドタワー（１０）は、支持面（１４）に取り付けられた支持構造体（１２）と、支持構造体（１２）に回転可能に取り付けられ、支持面（１４）に対して高い位置にある風の取入れ部（１６）とを備える。取入れ部（１６）は、風に対面する複数の入口（２２）と複数の出口（３４）との間に延在する複数の内部通路（３２）を備える。複数の入口（２２）は、対向する風の流れ（Ｗ）を同時に受けるように向けられている。各入口（２２）は、通路（３２）のうちの１つを介して出口（３４）の１つと流体連通する。ウィンドタワー（１０）は、複数の出口（３４）から風の流れ（Ｗ）を集めるための出力通路（４２）をさらに備える。出力通路（４２）は、出口（３４）と流体連通し、取入れ部（１６）から支持面（１４）に向かって下方に延在し、支持面（１４）またはその近傍に位置するタービンに風の流れ（Ｗ）を送達する。
2019509429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・支持面に取り付けられた支持構造体と、
・前記支持構造体に回転可能に取り付けられ、前記支持面よりも高い位置にあり、複数の内部通路を有する風の取入れ部であって、前記複数の内部通路は、複数の出口と、対向する風の流れを同時に受け入れるように向けられた風に対面する複数の入口との間に延在し、前記入口のそれぞれは、前記通路の１つを介して前記出口の１つと流体連通している、風の取入れ部と、
・前記複数の出口からの風の流れを集める出力通路であって、前記出口通路は、前記出口と流体連通しており、前記取入れ部から前記支持面に向かって下方に延在し、前記支持面にまたはその近傍に位置するタービンに風の流れを送達する、出力通路と、
を備える、風の流れをタービンに送達するためのウィンドタワー。
【請求項２】
前記通路の少なくとも一部が非直線的である、請求項１に記載のウィンドタワー。
【請求項３】
前記複数の通路が隣接している、請求項１または２に記載のウィンドタワー。
【請求項４】
前記取入れ部は、前記出力通路と流体連通する中央開口部を有し、前記複数の出口は、前記中央開口部周囲の周りに分布している、請求項１から３のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項５】
前記中央開口部は円形であり、前記複数の出口は前記中央開口部の周りに円周方向に分布している、請求項４に記載のウィンドタワー。
【請求項６】
前記取入れ部は、前記入口と前記出口との間に延在する複数の隔壁を備え、前記複数の隔壁は、前記複数の隔壁の間に前記複数の通路を画定する、請求項１から５のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項７】
前記取入れ部は、前記入口が配置された、風に対面する取入れ面と、前記出口が配置された出口面とを有し、前記複数の隔壁が、前記取入れ面と前記出口面との間に延在する、請求項６に記載のウィンドタワー。
【請求項８】
前記取入れ面が正方形である、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項９】
前記取入れ面が矩形である、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項１０】
前記取入れ面が曲線状である、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項１１】
前記出口面は前記中央開口部によって画定される環状である、請求項４に従属する場合の請求項７から１０のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１２】
前記入口および前記出口は、前記支持面から等距離にあり、前記通路が概ね水平である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１３】
前記取入れ部は、前記取入れ部の回転を作動させて前記入口を対向する風の流れに向けるための羽根部材を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１４】
前記支持構造体は、内部を通過させて前記取入れ部への保守アクセスを容易にする通路を画定する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１５】
前記出力通路を画定する下降管を備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１６】
複数の出力通路を集合的に画定する複数の下降管を備える、請求項１５に記載のウィンドタワー。
【請求項１７】
各出口がそれぞれの下降管に関連している、請求項１６に記載のウィンドタワー。
【請求項１８】
前記下降管が前記支持構造体を通って延在する、請求項１６または１７に記載のウィンドタワー。
【請求項１９】
前記下降管が前記支持構造体の外部にある、請求項１６または１７に記載のウィンドタワー。
【請求項２０】
前記支持構造体および前記出力通路が単一の下降管によって画定されている、請求項１５に記載のウィンドタワー。
【請求項２１】
複数の風の取入れ部を備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項２２】
前記複数の風の取入れ部は、各取入れ部が、隣接する取入れ部の上または下のレベルに位置するような積層構造を有する、請求項２１に記載のウィンドタワー。
【請求項２３】
前記取入れ部は互いに回転可能であり、前記支持構造体に対して独立して回転可能である、請求項２１または２２に記載のウィンドタワー。
【請求項２４】
前記取入れ部は互いに堅固に接続され、前記支持構造体に対して互いに回転可能である、請求項２１または２２に記載のウィンドタワー。
【請求項２５】
前記複数の取入れ部から風を集めるための複数の下降管を備え、各下降管は、関連付けられた風の取入れ部と前記支持面との間に延在する、請求項２１から２４のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項２６】
各取入れ部が単一の下降管によって供給される、請求項２５に記載のウィンドタワー。
【請求項２７】
各取入れ部が複数の下降管によって供給される、請求項２５に記載のウィンドタワー。
【請求項２８】
第１の取入れ部に関連付けられた第１の下降管が、前記第１の取入れ部の下方に位置する第２の取入れ部に向かって下方に延在し、使用時には第２の下降管が前記第１および第２の取入れ部からの風の流れを受けるように、前記第１の下降管が、前記第２の取入れ部に関連付けられた前記第２の下降管と流体連通しており、前記第２の下降管に風を送達する、請求項２６または２７に記載のウィンドタワー。
【請求項２９】
前記複数の取入れ部が積層構造で配置され、前記複数の取入れ部のうちの最下部の取入れ部に関連付けられた下降管が、前記複数の取入れ部のうちの他の前記取入れ部それぞれからの風の流れを受ける、請求項２８に記載のウィンドタワー。
【請求項３０】
前記複数の取入れ部のうちの各取入れ部が均一な寸法を有する、請求項２１から２９のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３１】
前記複数の取入れ部は積層構造で配置され、前記複数の取入れ部は寸法が不均一であり、前記最下部の取入れ部より上方の各取入れ部は直下の前記取入れ部よりも小さい、請求項２１から２９のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３２】
前記支持面が地面である、請求項１から３１のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３３】
前記支持面が乗り物上の表面である、請求項１から３２のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３４】
前記乗り物が船舶である、請求項３３に記載のウィンドタワー。
【請求項３５】
前記複数の内部通路が流線形である、請求項１から３４のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３６】
前記取入れ面の前記輪郭が流線形である、請求項１から３５のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３７】
前記取入れ部が概ね凧形状である、請求項１から３６のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３８】
前記取入れ面が前縁部分を有し、前記取入れ部が、使用時に前記前縁部分の風下に配置された複数の取入れ口を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項３９】
前記取入れ面が概ね正弦曲線状の輪郭を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項４０】
前記取入れ部が馬蹄形の輪郭を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項４１】
前記取入れ部が半円形の輪郭を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年３月２１日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１６９０１０４９号の優先権を主張し、その開示は本明細書に組み込まれるものとして理解すべきである。
【０００２】
本発明は、風の流れを受けてタービンに向けるためのウィンドタワーに関する。本発明は、比較的高い高度からの風の流れを受け、その風の流れを発電機に関連する地上のタービンに向けるのに特に適用可能である。ただし、本発明はこの用途に限定されず、風力エネルギーをタービンに送達するための任意の風力エネルギーシステムに使用できることを理解されたい。
【背景技術】
【０００３】
本発明の背景に関する以下の考察は、本発明の理解を容易にすることを意図するものである。しかしながら、この考察は、言及された資料のいずれかが公開された、既知である、または出願の優先日において共通の一般的な知識の一部であるという承認または容認ではないことを理解されたい。
【０００４】
従来のロータ型の風力タービンは、改善された再生エネルギーシステムへの継続的な推進の結果として、かなりの研究および投資の焦点となってきた。風力タービンの効率が改善することで、大部分の先進国は自国のエネルギーの供給を風力発電によって補完し、一部の国ではエネルギー需要のかなりの部分（最大４０％）を風力エネルギーから生産している。
【０００５】
各国において比較的普及が広がっているにもかかわらず、ロータベースの風力タービンにはいくつかの固有の技術的限界がある。まず、ロータおよび発電設備を大型のタワーの頂部に配置する必要があり、場合によっては地上１００ｍよりも上方に設置されるため、設置、保守、および修理のコストが高くなる。これによって、より高い卓越風にアクセス可能な背の高い風力タービンに対する要望と、その一方で、タービンの高さに直接比例する継続的な保守および修理の費用を制限したいという要望との間で妥協が必要となる。次に、長さが長く軽量であることが望ましいロータブレードは、さらに、大きな風力に耐えるために十分に強くなければならない。これらの実用上の要望によって、高い設備コストにつながる高価な材料が必要となる。ロータベースの風力タービンはさらに、例えば、過度の騒音、およびロータの近くを飛行する鳥に与える危険性など、環境に関する多くの不足点を呈している。
【０００６】
ロータベースの風力タービンに関する上記の課題に鑑み、「ウィンドタワー」として知られる代替の風力発電システムが開発されている。ウィンドタワーでは、地面よりも高い高度に位置する風取入れ口を介して風を受け入れた後、その風を地上の発電機システムに向け、または送り込む。ウィンドタワーによって、地上の発電機へのアクセスを容易にすることができ、それによって、設置、修理、および保守のコストを削減することができる。さらに、ウィンドタワーには通常ロータブレードが設けられていないため、騒音が低減され、野生動物への危険が解消される。
【０００７】
米国特許第２９９，１２７号には既存のウィンド・タワー・システムが開示されており、これは、垂直通路を介して地上のタービンに接続された高置空気取入れ口を備える。この高置取入れ口は枢動的に取り付けられており、取入れ開口を対向風に向けるための羽根を備えている。類似のウィンド・タワー・システムが米国特許第２，６１６，５０６号に開示されており、これは制限されたスロート構造を介して先細の空気噴出口に接続された先細の空気取入れ口を備える。風力駆動タービンは、回転エネルギーを生成するために前記スロート内に配置される。
【０００８】
米国特許第７，８１１，０４８号には、別の既存のウィンド・タワー・システムが開示されている。このウィンドタワーは、地上の出口と流体連通する高置取入れ口を備える。その出口に隣接してタービンが配置され、このタービンは発電機に電力を供給するために使用される。取入れ口は調節可能なノズル組立体を備え、このノズル組立体によって、風の状態の変化に応じて取入れノズルの直径が調節できる。
【０００９】
増加し続けるエネルギー需要を考慮すると、既存のウィンド・タワー・システムの少なくともいくつかの側面を改善する代替のウィンドタワー設計を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【００１０】
本発明によれば、タービンに風の流れを送達するためのウィンドタワーが提供される。このウィンドタワーは、支持面に堅固に取り付けられた支持構造体と、支持構造体に回転可能に取り付けられ、支持面よりも高い位置にあり、複数の内部通路を有する風の取入れ部であって、この複数の内部通路が、複数の出口と、対向する風の流れを同時に受け入れるように向けられた風に対面する複数の入口との間に延在し、各入口が、通路の１つを介して出口の１つと流体連通している、風の取入れ部と、複数の出口からの風の流れを集める出力通路とを備え、出口通路は出口と流体連通し、取入れ部から支持面に向かって下方に延在し、支持面にまたはその近傍に位置するタービンに風の流れを送達する。
【００１１】
本発明は、有利には、入ってくる風の流れを流線化して全体の効率を向上させる、改善された取入れ口の設計を有するウィンドタワーを提供する。特に本発明の取入れ部は、取入れ部を通る空気流の流線化を容易にする個別の通路を備えている。個別の通路を設けることにより、入ってくる風の流れの所望の経路に従って、入口および出口の配置を最適化することが可能になる。
【００１２】
複数の入口は、すべての入口が対向風に対面するように風に対面している。すなわち、複数の入口は、対向する風の流れを同時に受けるように向けられる。例えば、風に対面する複数の入口は、対向する風の流れを受けるために同じ方向に向けることができる。これによって、取入れ口の少なくとも一部が常に余分となるような、放射状に外側に向けられた複数の取入れ口を有する既存のウィンドタワーに対して、有利性が得られる。有利なことに、本発明によれば、風の流れが存在するときはいつでも、全ての入口を利用することができる。
【００１３】
さらに、本発明によって効率が改善されることで、場合によっては、より高い卓越風にアクセス可能な、より背の高いウィンドタワーの建設を経済的に妥当なものにできる可能性がある。大幅に高いウィンドタワーを建設するための設備投資の増加は、既存のウィンドタワー設計を使用することでは保証されないが、本発明は、既存の設計よりもはるかに大きな電力を回収できることが期待されており、この範囲で、再生可能エネルギーインフラへのより大きな投資を正当化し得る。
【００１４】
本発明の特定の形態では、少なくともいくつかの通路は非線形であり、これにより、直線通路を用いた場合に可能なものよりも広い範囲の入口から風の流れを有利に捕捉することができる。従来のウィンドタワー、例えば米国特許第７，８１１，０４８号のタービン取入れタワーでは、必然的に、取入れノズルのすぐ下流に出力下降管を配置する。有利には、本発明における非線形通路を設けることにより、出力通路のすぐ上流以外の領域から風を捕捉することが可能になる。例えば、非直線通路によって、入口を出力通路の横方向に隣接して、または下流にも配置することができ、そして風の流れを湾曲通路を介して出口通路に向けて再誘導することが可能になる。このことから、本発明によれば、他の場合よりも多くの風を捕捉することができる。有利には、個別の非線形通路を設けることにより、従来の入口で実現可能であったものよりも幅が広い取入れ部の構築が容易になる。
【００１５】
本発明の代替の形態では、各通路は直線状であってもよい。各入口と各出口との間に複数の個別の通路を設けることは、依然として、単一のより大きな取入れ口を利用する従来技術のシステムに対して改善をもたらすものである。出力通路のすぐ上流に配置された入口は、直線通路を介して出力通路に接続されてもよく、出口通路の上流以外の位置に配置された入口は、有利には非線形通路を利用し、必要に応じて元のベクトルから出力通路に向かって風の流れを再誘導してもよいことが理解されよう。本発明のいくつかの形態では、通路は互いに隣接していてもよい。本発明の他の形態では、通路は、ある程度の余裕をもって、隣接する通路から離間されていてもよい。
【００１６】
本発明の特定の形態では、取入れ部は、出力通路と流体連通する中央開口部を有し、複数の出口が中央開口部の周囲に分布される。本発明のこの形態では、非直線状通路を使用することにより、有利には、出口の周辺へ分配される風の流れの通過を促進する。中央開口部の周りに出口を周辺分布させることによって、取入れ部を介して受ける風の流れが出力通路に均等に分配され、それによって、上流側に伝播してウィンドタワーの効率を低下させることがある流動抵抗をもたらす可能性のある、フロー狭窄を減少させるという点で、有利であることは理解されよう。本発明の特定の実施形態では、中央開口部は円形であり、複数の出口は中央開口部の周りに円周方向に分布している。
【００１７】
本発明のいくつかの形態では、取入れ部は、入口と出口との間に延在する複数の隔壁を備えてよく、この複数の隔壁によって、その間に複数の通路を画定してもよい。これに関して、各通路を、比較的薄い隔壁によってのみ分離することで、取入れ部において通路が占める容積の量を最大にしてもよい。通路の「幅」は、隣接する隔壁間の距離として定義することができる。本発明のいくつかの形態では、取入れ部は、より少ない数のより幅の広い通路を有してもよく、本発明の代替の形態では、取入れ部は、より多い数のより幅の狭い通路を有してもよい。本発明のいくつかの形態では、複数の隔壁は耐荷重性でもあり、したがって隔壁の厚さ（したがって、さらにその間の通路の間隔）は、特定の隔壁が負担するように設計された負荷の関数であってもよい。ウィンドタワーが複数のレベルの取入れ部を備える本発明の形態では、通路の幅は、耐荷重要求の変化に応じて各レベルにわたって変化してもよい。
【００１８】
取入れ部は、入口が配置された、風に対面する取入れ面と、出口が配置された出口面とを有してよく、複数の隔壁が取入れ面と出口面との間に延在してもよい。本発明のある形態では、取入れ面は平面であってよく、正方形または矩形などの２次元形状を画定してもよい。本発明の代替の形態では、取入れ面は曲線状であってもよい。本発明の特定の形態では、取入れ面は鞍状に形成されてもよく、または正弦曲線状であってもよい。有利には、取入れ面を曲線状とすることで、取入れ領域をより流線的にすることができ、それによって、上流の流れの分断を最小にし、取入れ効率を最大にすることができる。取入れ部に円形の中央開口部が設けられている本発明の形態では、上記出口面は環状であってよく、中央開口部によって画定されてよい。
【００１９】
入口および出口は、通路が概ね水平となるように支持面から等距離にあってもよい。本発明の他の形態では、通路は水平に対して傾斜していてもよい。
【００２０】
取入れ部を回転可能に取り付けることにより、取入れ部が風の方向に従って回転するための「ヨー」回転、すなわち概ね直立の軸の周りの回転が可能になる。取入れ部は、取入れ部の回転を作動させて、対向する流入に入口を向けるための羽根部材を備えてもよい。有利には、回転可能に取り付けられた取入れ部を風に対面する向きに維持し、風向きの変化にかかわらず風の取入れを最大にしてもよい。本発明のある形態では、羽根部材を、取入れ部の尾部によって画定してもよい。尾部は、取入れ部の取入れ面とは反対側の取入れ部から外側に延在してもよい。これによって、尾部が風の流れの方向に向けられることになり、それにより、取入れ面を対向流に向けて位置決めを行う。さらに尾部は、取入れ部の全体的な空気力学的プロファイルに寄与することで、ウィンドタワーに加えられる空気力を減少させ、それに伴って、ウィンドタワーの機械的強度に対する要求を減少させてもよい。本発明のいくつかの形態では、取入れ部の空気力学的中心は、取入れ部を通って進む風によって取入れ部の回転が作動されるように、回転軸の後ろ（すなわち、下流）に位置決めされてもよい。これに伴って、本発明のいくつかの実施形態では、取入れ部が、別個の羽根部材または尾部を使用することなく、風に対面する向きに自動的に自身を維持してもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、支持構造体が直立柱を画定することができる。本発明の特定の実施形態では、支持構造体は、内部を通過させて取入れ部への保守アクセスを容易にする通路を画定してもよい。本発明のある形態では、このアクセス通路は、アクセスを容易にするためにウィンドタワーの上部まで延在してもよい。
【００２２】
本発明のウィンドタワーは、出力通路を画定する下降管を備えてもよい。この点に関して、概ね垂直であり、支持面に風の流れを運ぶ下降管を設けてもよい。本発明の代替の形態では、複数の下降管が集合的に複数の出力通路を画定してもよい。本発明のこの形態のいくつかの実施形態では、各出口をそれぞれの下降管と関連付けてもよい。他の代替の実施形態では、各出口がいくつかの下降管から供給（すなわち、風を送達）されてもよい。下降管は支持構造体を通って延在してよく、または、支持構造体の外部であってもよい。本発明のいくつかの形態では、支持構造体および出力通路は、単一の下降管によって画定される。
【００２３】
本発明の特定の形態では、ウィンドタワーは複数の風の取入れ部を備える。取入れ部の配置は、サイズおよび特定のウィンドタワー設計に応じて変化してもよい。本発明の特定の形態では、複数の取入れ部は、隣接する取入れ部の上方または下方のレベルまたは階層に各取入れ部が位置するような、積層構造を有する。取入れ部の「積層」における各取入れ部は、支持構造体に、または隣接する取入れ部に回転可能に取り付けられてもよい。有利には、複数の取入れ部を設けることにより、ウィンドタワーでの風に対面する全体的な領域が増加し、したがって風の取入れ量が増加する。さらに、個別に回転可能な個別の風の取入れ部を設けることにより、風向きが高度に関連して変化する場合の風の取入れを最適化できる。この点に関し、ウィンドタワーの上方の階層の風の取入れ部を、ウィンドタワーの下方の階層の取入れ部が対面して受け入れる風向きとは異なる対向風に対面させてもよい。
【００２４】
風の取入れ部を複数設けることで、ウィンドタワーのサイズを、特定の地理的位置または他のインフラ要件に合わせて都合よく調整することができるという点でも有利である。このことから、本発明によれば、単に追加の取入れ部を既存の取入れ部に積み重ねて設置することで、より大きなウィンドタワーを構築することが可能になる。したがって本発明によって、ウィンドタワーを構築し、当初の数の風の取入れ部で予め作動させ、その後、追加の取入れ部を元の取入れ部の上に構築して増加させことができる。本発明のこの態様によって、これまで従来のウィンドタワーでは利用できなかったカスタマイズが有利に促進する。
【００２５】
入口の大きさは、ウィンドタワーの大きさに応じて変化させてもよい。しかしながら、ある程度の風力エネルギーが隔壁に対する周面摩擦によって吸収されるため、入口の大きさを増加させることで、それに比例して周面摩擦によって失われるエネルギーの量を減少させることが理解されよう。
【００２６】
特定の例によれば、本発明による比較的小さなウィンドタワーは、３つの取入れ部を備えてよく、各取入れ部は３０個の入口を有してよい。合計９０個の入口のサイズは、幅３ｃｍ、高さ３０ｃｍ（１つの入口あたり０．００９ｍ２の面積で、１つの取入れ部あたり風に対面する面積が合計で０．２７ｍ２となる）から、幅１０ｃｍ、高さ１００ｃｍ（１つの入口あたり０．１ｍ２の面積で、１つの取入れ部あたり風に対面する面積が合計で３ｍ２となる）であってよい。入口をより大きくすることは一般的に、取入れ口に比例する周面摩擦を減少させるのに望ましいが、特定のウィンドタワーにおけるサイズの制限によっては、より小さい取入れ口が好ましい場合がある。代替の例によれば、本発明に関するより大きなウィンドタワーは、幅３０ｍ、高さ３０ｍの入口（１つの入口あたり９００ｍ２の面積）を有してもよい。ただし、入口の高さの増加は構造上の考慮事項によって制限を受けるため、より大きな入口には、入口（およびより高いレベルの取入れ部の質量）を支持するためにより厚い隔壁が必要となることがある。アルミニウム材を使用した場合に推定される最大の入口高さは３０ｍである。ただし、チタン、炭素複合材などの代替のより高価な材料で取入れ部が構成されている場合には、より大きなサイズの入口が実現可能であることが理解されよう。
【００２７】
「積層された」配置で構成された取入れ部は、本質的に、「最下部」の取入れ部と「最上部」の取入れ部とを含むことが理解でき、それに伴って、本明細書におけるこれらの用語に対する参照は理解されよう。
【００２８】
上述したように、本発明のいくつかの形態では、取入れ部は互いに対して回転可能であり、支持構造体に対して独立して回転可能である。本発明の代替の形態では、取入れ部は互いに堅固に接続されてよく、支持構造体に対して相互に回転可能であってもよい。本発明のこの形態は、風を捕捉する領域の高さにわたって異なる風向に対面することが予想されないウィンドタワーに適し得る。
【００２９】
複数の取入れ部を有する本発明の実施形態では、複数の取入れ部からの風を集めるための複数の下降管を設けてよく、各下降管は、関連付けられた風の取入れ部と支持面との間に延在してよい。本発明のいくつかの形態では、各取入れ部は単一の下降管によって供給される。本発明の代替の形態では、各取入れ部は複数の下降管によって供給される。本発明の特定の実施形態では、第１の取入れ部に関連付けられた第１の下降管が、第１の取入れ部の下方に位置する第２の取入れ部に向かって下方に延在し、使用時には第２の下降管が第１および第２の取入れ部からの風の流れを受けるように、第１の下降管が、第２の取入れ部に関連付けられた第２の下降管と流体連通しており、第２の下降管に風を送達する。有利には、この構成によって、より高い取入れ部の出力を下部取入れ部の下降管に導くことが可能になる。このことから、より高い取入れ部の出力が下部取入れ部の出力を補完し、これらの出力がまとめて第２の取入れ部の下降管を通って下方に送達される。この配置は、２つの取入れ部のみに限られたものではなく、任意の数の取入れ部に拡張することができることが理解されよう。本発明の特定の形態では、複数の取入れ部のうちの最下部の取入れ部の下降管は、複数の取入れ部のうちの他の取入れ部のそれぞれからの風の流れを受ける。
【００３０】
本発明のいくつかの形態では、各取入れ部が均一な寸法を有する。本発明の代替の形態では、複数の取入れ部は積層構造で配置され、複数の取入れ部が不均一な寸法を有し、最下部の取入れ部より上方の各取入れ部は、直下の取入れ部よりも小さい。本発明のこの形態では、ピラミッド形状となるように、連続した各取入れ部のサイズを縮小してもよい。この構成では、最下部の取入れ部が最も大きな取入れ部であり、最上部の取入れ部が最も小さな取入れ部となる。有利には、本発明のこの形態では、ウィンドタワーのレベルが増加するにつれて取入れ部の質量が減少するため、構造工学の理由から好ましい場合がある。本発明の代替の形態では、各取入れ部は、等しいサイズ、すなわち均一な寸法を有してもよい。
【００３１】
本発明によるウィンドタワーは、既存の風力タービンと同様に、様々な支持面に設置することができることが理解されよう。
【００３２】
支持面は、地面であってもよい。一例として、支持面は、パドックまたは使用されていない農地などの地上の面であってもよい。あるいは、支持面は、ウィンドタワーが海または海洋で機能できる浮動プラットフォームであってもよい。別の代替案では、支持面は乗り物の表面であってもよい。特定の例では、この乗り物は船舶であってもよい。この例では、この船舶に取り付けられたウィンドタワーが、水を介して船を推進できるタービンに風を送達することができる。
【００３３】
本発明の支持構造体は、様々な代替構造によって形成することができる。本発明のいくつかの形態では、支持構造体は、支持面から上方に延在する支柱などの細長い支持部材から構成することができる。この瞬間において、取入れ部は、支柱に回転可能に取り付けられてよく、支柱の高さによって支持面よりも高い位置に配置されてもよい。複数の積層された取入れ部を備える本発明の代替の形態では、最下部の取入れ部は、地面に固定的または回転可能に取り付けられてもよく、上部取入れ部は最下部の取入れ部に回転可能に接続されてもよい。この場合、最下部の取入れ部は、上部取入れ部の支持構造体を画定してもよい。本発明のこの形態は、地上レベルにおいて平均風速が比較的高い地域、例えば丘陵地帯、または山もしくは他の風の多い地域にウィンドタワーが設置される場合に特に適し得る。本発明のさらに別の形態では、支持構造体は、例えば、取入れ部でも支柱でもない金枠などの基礎構造から構成されてよい。
【００３４】
前述のように、出力通路は、それぞれの取入れ部の出口から支持面まで延在する１つまたは複数の下降管によって画定されてもよい。支持構造体が細長い中空の支柱によって画定される場合、下降管は、支柱によって画定される中央通路を通って延在してもよい。本発明の下降管は、管状、四角形、可撓性もしくは剛性、または流体が内部を通過可能な任意の他の寸法を有してもよい。
【００３５】
本発明は、支持面に隣接して位置するタービンへの送風を改善する。本発明に関連するタービンは支持面に設置されてよく、または支持面の下もしくは支持面の上に設置されてもよいことが理解されよう。いずれの場合においても、タービンは一般に、タービンが地上より高い場所に位置する従来のロータ型風力タービンでは不可能な都合の良い設置および保守が可能になるように、支持面に「隣接」して位置することになる。本発明での使用に適した種類のタービンは当業者には一般に知られており、タービンによって風の流れから抽出された回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための適切な発電機に関連し得る。
【００３６】
上述したように、本発明によって効率が改善されることで、場合によっては、より高い卓越風にアクセス可能な、はるかに背の高いウィンドタワーの建設を経済的に妥当なものにできる可能性がある。大幅に高いウィンドタワーを建設するための設備投資の増加は、既存のウィンドタワー設計を使用することでは保証されないが、本発明は、既存の設計よりもはるかに大きな電力を回収できることが期待されており、この範囲で、再生可能エネルギーインフラへのより大きな投資を正当化し得る。より大型のウィンドタワーを建設することは、大型のウィンドタワーによって、より小型の発電機よりも通常は効率的な、より大型の発電機の使用が妥当なものとなるという点においても有利である。
【００３７】
本発明は、いくつかの実施形態では、既存の電力系統または地理的に離れた位置にある他の大きなウィンドタワーに接続することができる、背の高い高出力のウィンドタワーを備えてもよい。それに対して、小型のウィンドタワーは一般に、大幅に低い出力に適合されているため、通常は、大規模なウィンドタワー電気接続システムに関わる設備投資が妥当なものとはならない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、複数の取入れ部を備えた、本発明の第１の実施形態によるウィンドタワーの正面図である。
【図２】図２は、図１に示した取入れ部の上部断面図である。
【図３】図３は、図４に示した取入れ部の前部の近接上部斜視図である。
【図４】図４は、図２に示した取入れ部の上部斜視図であり、下降管の配置の第１の実施形態を示している。
【図５】図５は、図４に示した下降管の配置の正面斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態によるウィンドタワーの正面斜視図である。
【図７】図７は、図３、図４、および図５に示す下降管の配置に対する第２および代替の下降管の配置の断面斜視図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態によるウィンドタワーの正面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明がより完全に理解されるように、以下の図面を参照していくつかの実施形態を説明する。
【００４０】
図１は、本発明の第１の実施形態によるウィンドタワー１０を示す。ウィンドタワー１０は、地面１４を含む支持面に取り付けられた基部１２を備える支持構造体を有する。ウィンドタワー１０は、「積層された」形態で配置された１５個の風の取入れ部１６を備え、各風の取入れ部１６は、ウィンドタワー１０内の別個の階層を画定している。１５個の取入れ部１６は不均一なサイズを有し、最下部の取入れ部１８の幅が最大であり、残りの取入れ部１６のサイズは、ピラミッド形状の構造を形成するように順次小さくなっている。
【００４１】
最下部の取入れ部１８は基部１２に回転可能に取り付けられ、「積層」内の各後続の取入れ部１６は、軸受装置（図示せず）を介して下層の取入れ部に回転可能に取り付けられている。この点に関して、最下部の取入れ部１８は基部１２に直接接続されている一方で、追加の各取入れ部１６は基部１２に対して回転可能に取り付けられているが、直接的に接続されていない。このことから、各取入れ部１６は、垂直軸の周りで独立した回転運動が可能である。この配置により、各取入れ部１６は対向風に面して回転することができ、有利には、ウィンドタワー１０の高さにわたる風向の変化を、下部取入れ部１６とは異なる方向に向けることが可能なより高い取入れ部１６によって吸収できる。
【００４２】
各取入れ部１６は、図１に示す正面斜視図から確認可能な複数の入口２２を有する。各入口２２は、図２を参照して以下でさらに詳細に説明される隔壁によって分割される。入口２２は矩形であり、各取入れ部１６の下壁２４と上壁２６との間に延在している。各取入れ部１６はまた、上壁２６と下壁２４との間に延在する中央開口部２８を有する。明瞭になるように、入口２２、上壁２６および下壁２４、ならびに中央開口部２８は、最上部の取入れ部２０に関してのみ示しているが、取入れ部１６のそれぞれがこれらの特徴を含むことは理解されよう。
【００４３】
平均風速は一般的に高度とともに増加することが理解されよう。このため、ウィンドタワーの総高は、通常、より高い発電可能性へのアクセスが得られるより高い高さと、その一方で、より高い構造に伴う設備投資の増加との妥協を表す。この点において、ウィンドタワー１０の最大高さは、ウィンドタワーのための意図された位置における自然風パターン、およびプロジェクトに利用可能な資本の量に応じて変化し得る。ウィンドタワー１０の例示された実施形態では、全部で１５個の取入れ部の総高が４５０メートルとなるように、３０メートルの高さを有する取入れ部１６を備える。例示した実施形態では、ウィンドタワー１０の総高が５９０メートルとなるように、基部１２の高さは１４０メートルである。本発明によるウィンドタワーの最大高さは、タワーの構造パラメータおよび建築材料の強度対重量比によってのみ制限されることは理解されよう。
【００４４】
ここで図２を参照すると、取入れ部１６の上部断面図が示されている。この図では、複数の内部隔壁３０を示すために上壁２６は図示されておらず、複数の内部隔壁３０はその間に、関連付けられた複数の出口３４と入口２２との間に延在する複数の内部通路３２を画定している。各入口２２は、通路３２の１つを介してそれぞれの出口３４と流体連通しており、対向する風の流れＷが入口２２内に受け入れられ、通路３２を通って移送され、出口３４に送達されるのを助ける。各出口３４は、取入れ部１６を通って延在する中央開口部２８の周囲に円周方向に分布している。このことから、取入れ部１６の幅方向に受け取られる風の流れは、中央開口部２８の周りに均等に分配される。さらに、取入れ部１６の風に対面する端部または前部の通路はほぼ直線状であり、通路３２の外側は、風の流れを中央開口部２８の下流側に向け直すように湾曲していることが理解されよう。なお、取入れ部１６の全幅は中央開口部２８の直径よりも大きい。このことから、本発明の個別の非線形通路によって、より広い領域にわたって風の流れを捕捉し、風の流れを中央開口部２８内の出力通路に向け直すことが可能になる。出力通路は、中央開口部２８によって画定されてもよい。本発明の代替の実施形態では、出力通路は、開口２８内に位置する別個の導管によって画定されてもよい。本発明の特定の実施形態では、出力通路は、互いに積層された複数の取入れ部の複数の中央開口部によって集合的に画定されてもよい。
【００４５】
各取入れ部１６は、複数の入口２２によって集合的に画定される取入れ面３６を有する。図１の正面斜視図から見ると、各取入れ面３６は矩形である。図２の上部斜視図から見ると、取入れ面３６は曲線状であり、概ね正弦曲線状である。通路３２における反対側の端部では、複数の出口３４が、中央開口部２８の周辺部に対応する環状出口面を画定している。
【００４６】
各取入れ部１６は、取入れ部１６から後方に、かつ取入れ部の取入れ面３６から反対側に延在する尾部３８を有する羽根部材を備えている。風の流れを受けると、尾部３８は、風に対面する方向に取入れ面３６を向けるために、それぞれの取入れ部１６の回転を起動するように動作する。このことから、ウィンドタワー１０の各取入れ部１６は、各取入れ面３６を介した風の流れが最大になるように、風向きの変化に応じて自動的に向きを調整することができる。さらに、取入れ部１６の空気力学的中心は、取入れ部を通って進む風の流れが取入れ部の回転に寄与し、取入れ部を風に対面する方向に向けるのを助けるように、回転中心の後方（すなわち、下流）に位置している。
【００４７】
図２に示すように、通路３２は非直線的であり、各取入れ部１６を通る流れを流線型にすることを助ける。各入口２２は、各通路３２によってそれぞれの出口３４に導かれる対向する風の流れの一部を受ける「口」として機能する。有利には、複数の隔壁３０によって、取入れ部を通って中央開口部に向かう流線型の風の流れが促進される。
【００４８】
図３は、取入れ部１６の前部の近接上部斜視図である。隔壁３０の風に対面する端部は、入口２２を通って流入する風の流れの流線化を向上させるために、隔壁３０の幅に向かって先細になる丸みを帯びた前縁４８を有する。隔壁３０は、出口３４が配置されている中央開口部２８の円周で終端し、出口３４は図３の破線で示す環状の出口面３７を集合的に画定する。各出口３４に隣接して、それぞれの下降管４２が存在する。図４を参照すると、下降管４２は円形に配置され、中央開口部２８の中央部分を空けた状態で、中央開口部２８の周囲をふさいでいることが理解されよう。図１に示すように、取入れ部１６および中央領域２８は、取入れ部の階層の追加に伴ってサイズが小さくなる。これに関連して、ウィンドタワー１０の上方の階層の取入れ部からの下降管が、図４に示した中央開口部２８の空いている領域を占めるようにしてもよい。したがって、図４に示す取入れ部のすぐ上の取入れ部に関連付けられた下降管は、図４の下降管４２によって画定される円形配置よりわずかに小さい半径を有する同心円状の配列を画定し、その円形配置のすぐ内側に配置されてもよい。
【００４９】
回転する内部通路３２と静止した下降管４２との間の流体連通を可能にするために、各下降管４２の取入れ口は、出口３４に隣接して配置された（かつ出口３４とほぼ同じ大きさを有する）矩形の開口部（図示せず）を有して構成されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、下降管４２の数が出口３４の数よりも少なくてもよい。この場合、下降管４２の矩形の開口部の幅を、２つ以上の出口３４からの風の流れに適応させるために、その分だけ出口３４よりも大きくしてもよい。
【００５０】
この配置の側面輪郭が図５に部分的に示されており、一対の下降管４２が、各取入れ部１６から下方に延在するように図示されている。説明のために、図５では一対の下降管のみを示し、中央開口部２８の反対側の下降管のみを示す。ただし実際には、各取入れ部１６が、各出口３４から延在する下降管４２を有することが理解されよう。この下降管の配置によって、各取入れ部の各出口からの風の流れを、地面１４に隣接して配置されたタービン取入れ口（図示せず）に向けて送出できる。
【００５１】
ここで図６を参照すると、本発明の第２の実施形態によるウィンドタワー１１０が示されている。ウィンドタワー１１０は、積層または階層の構成で配置された２６個の取入れ部１１６を備える。本発明の第１の実施形態における独立して回転可能な取入れ部とは対照的に、取入れ部１１６は、支持構造体に対して互いに回転可能となるように互いに堅固に接続されており、支持構造体は、この第２の実施形態では、地面１１４から延在する直立の支柱１１２によって構成されている。
【００５２】
各取入れ部１１６は、その他の点においては第１の実施形態の取入れ部１６と同等である。すなわち取入れ部１１６は、尾部と、複数の入口と、通路と、中央開口部に風を送達するための出口（図示せず）とを備える。下降管の配置（図示せず）は、地面１１４に風を送達するために、支柱１１２を介して取入れ部１１６から下方に延在して設けられている。タービンおよび発電機（図示せず）は、支柱１１２の基部内に位置してよく、または支柱１１２の基部に隣接して位置してもよい。
【００５３】
隣接する取入れ部１１６の間が堅固に接続されているため、本発明のこの実施形態は、第１の実施形態のウィンドタワー１０と比較して製造がより簡単で、コストがかからない。それにもかかわらず、ウィンドタワー１１０は、ウィンドタワー１０に関して上述したように、各取入れ部１１６内の複数の入口、通路、および出口によって、既存のウィンドタワーに対する改善を示すものである。
【００５４】
ここで図７を参照すると、３層のウィンドタワー２１０の断面図が示されており、ここでは、内部の下降管の配置が示されている。簡潔にするために、この図は３層のウィンドタワーに限定している。しかしながら、この構成は、上述した本発明の第１および第２の実施の形態に示すウィンドタワー１０またはウィンドタワー１１０を含む、任意の数の取入れ部を有するウィンドタワーに適用できることが理解されるべきである。
【００５５】
図７は、支持構造体に取り付けられた３つの取入れ部２１６を備えるウィンドタワー２１０の断面図を提供するものであり、支持構造体は、地面２１４を含む支持面に取り付けられた（かつ支持面から上方に延在する）直立の支柱２１２を有する。本明細書において、この３つの取入れ部を、上部取入れ部２１６ａ、中間取入れ部２１６ｂ、および下部取入れ部２１６ｃと称する。上部取入れ部２１６ａ、中間取入れ部２１６ｂ、および下部取入れ部２１６ｃは、各取入れ部２１６（図示せず）内の各出口を介して、それぞれの風出力である出力Ｏａ、Ｏｂ、およびＯｃを送達する。３つの取入れ部は、支柱２１２および第３の下降管２４２ｃによって支持される。このことから、第３の下降管２４２ｃは、下降管として、および支持部材としての二重の機能を有する。３つの取入れ部２１６ａ、２１６ｂ、および２１６ｃは互いに堅固に接続され、第３の下降管２４２ｃの上の円形レール（図示せず）上に乗る下部取入れ部２１６ｃにより、支柱２１２および第３の下降管２４２ｃに対して回転可能に取り付けられている。
【００５６】
ウィンドタワー２１０は、上部取入れ部２１６ａ内に配置された円錐形の漏斗部材２４０を備え、この漏斗部材は支柱２１２を取り囲み、風出力Ｏａを地面２１４に向けて下向きに導くように動作する。第１の下降管２４２ａは、上部取入れ部２１６ａから下方に延在し、風出力Ｏａを下方に送達するための通路を画定する。第２の下降管２４２ｂは、中間取入れ部２１６ｂから下方に延在し、風出力Ｏｂを下方に送達するための通路を画定する。第３の下降管２４２ｃは、下部取入れ部２１６ｃから下方に延在し、風出力Ｏｃを下方に送達するための通路を画定する。図７に示すように、第１の下降管２４２ａは、第２の下降管２４２ｂの口に出力Ｏａを送達するように配置される。このことから、第２の下降管２４２ｂを通る流れは、上部取入れ部２１６ａからの流れの出力Ｏａと、中間取入れ部２１６ｂからの出力Ｏｂとを含む。第２の下降管２４２ｂの出力は、第２の下降管からの流れ（すなわち、出力ＯａおよびＯｂ）が第３の下降管２４２ｃの出力Ｏｃと合流するように、第３の下降管２４２ｃの口内に配置される。このことから、３つの取入れ部のすべての出力Ｏａ、Ｏｂ、およびＯｃは、第３の下降管を介して地面２１４に向けて送達される。ウィンドタワー２１０は、図６に示す２６層のウィンドタワー１１０に代わる３層のウィンドタワーであるが、図７に示す下降管の配置をウィンドタワー１１０に利用できることが理解されよう。この場合、図６に示す支柱１１２は、図７に示す第３の下降管２４２ｃに相当する。
【００５７】
図７に示す上記構成において、取入れ部２１６ｃ、２１６ｂ、および２１６ａは、支柱２１２および第３の下降管２４２ｃに対して（第３の下降管２４２ｃの上の円形レールによって）回転することができる。円錐形の漏斗部材２４０、第１の下降管２４２ａ、および第２の下降管２４２ｂもまた支柱２１２および第３の下降管２４２ｃに対して回転することができるように、円錐形の漏斗部材２４０、第１の下降管２４２ａ、および第２の下降管２４２ｂは、それぞれ上部、中間、および下部取入れ部２１６ａ、２１６ｂ、および２１６ｃに堅固に接続されている。言い換えれば、第２の下降管２４２ｂは、地面２１４に対して静止している第３の下降管２４２ｃ内で回転することができる。
【００５８】
代替の構成（図示せず）では、第３の下降管の上の円形レールに加えて追加の３つの円形レールが設けられる。この代替の構成では、円錐形の漏斗部材、第１の下降管、および第２の下降管のそれぞれの上にも円形レールが設けられる。この代替の構成では、第１、第２、および第３の下降管ならびに円錐形の漏斗部材は互いに堅固に接続される。したがって、３つの下降管および円錐形の支持部材は地面に対して固定され、３つの取入れ部は互いに固定されて、３つの下降管、円錐形の支持部、支持部材、および地面に対して回転することが可能になる。円錐形の漏斗部材もまた、支柱に堅固に接続されてもよい。したがって、静止した構成要素（３つの下降管および円錐形の漏斗部材）と回転可能な構成要素（３つの取入れ部）との間の境界面に合計４つの円形レールが設けられる。
【００５９】
ここで図８を参照すると、本発明の第３の実施形態による代替のウィンドタワー３１０が示されている。ウィンドタワー３１０は８個の取入れ部３１６を備え、この８個の取入れ部３１６は互いに堅固に接続され、円形レール３１２を有する支持構造体に回転可能に取り付けられている。円形レール３１２は、丘陵部３１４を有する支持面に堅固に取り付けられている。取入れ部３１６の最下部は、最下部の取入れ部３１６の下側に接続された凹形のホイール装置（図示せず）を介して円形レール３１２に回転可能に取り付けられており、それにより、最下部の取入れ部３１６による円形レール３１２の周りでの転動が促進され、最下部の取入れ部３１６（およびそれに堅固に接続された取入れ部３１６の追加の７つの層）が中心の垂直軸線の周りを回転することができるようになる。
【００６０】
取入れ部３１６が互いに堅固に接続されており、ウィンドタワー１０に関して図示されている下降管の配置を含まないことを除いて、取入れ部３１６は、図２、図３、および図４に図示した取入れ部１６と同等である。対照的に、ウィンドタワー３１０は、各取入れ部３１６内に、集合的な中央開口部３２８から構成される出力通路を備える。言い換えれば、各取入れ部３１６の風出力は中央の開口３２８に直接供給され、中央開口部３２８は、取入れ部３１６のサイズが大きくなるのに相関してウィンドタワー３１０の基部に向かって広がっている。最下部の取入れ部３１６の下には、丘陵部３１４を通って近傍の隣接するタービンおよび発電機装置（図示せず）に向かって延在する単一の出口管３４２が存在する。
【００６１】
ウィンドタワー３１０はさらに保守通路３５０を備え、この保守通路３５０は各中央開口部３２８を通って延在し、各取入れ部３１６への保守アクセスを容易にする。さらに保守通路３５０は、ウィンドタワー頂点３５２へのアクセスを提供するが、ここには比較的高い高度を考慮して無線または衛星が設置されることが望ましい。図８に示すように、保守通路３５０の一部が出口３４２を通って延在している。出口管３４２内の空力抵抗を減少させるために、保守通路３５０には、流線形の輪郭３５２（部分上面図で示す）を形成するテール３５４が設けられている。
【００６２】
上述したように、取入れ面３６は概ね曲線状である。しかしながら、本発明の代替の実施形態では、取入れ面は概ね平面であってもよい。そのような例では、取入れ隔壁の丸みを帯びた前縁４８は、共通の平面上に概ね整列される。さらなる代替案では、取入れ面を「Ｖ字」構成に配置することができる。
【００６３】
本発明によって、より高い高度から地上のタービン／発電機への風の通過を促進するだけでなく、風の流れが軽い、またはないときであっても、逆煙突効果により、ウィンドタワーを通るある程度の下向きの空気の流れが生じ得ることが理解されよう（すなわち、冷却空気が下降管を通って地面に向かって下方に落下する）。これに関して、本発明のいくつかの実施形態では、取入れ部が取り入れる風の速度にかかわらず、地面と高置の取入れ部との間の熱エネルギー差を利用して動力を発生させてもよい。
【００６４】
当業者であれば、本明細書に記載された本発明は、具体的に記載されたもの以外の変更および改造が可能であることを理解するであろう。本発明には、本発明の趣旨および範囲内に該当するこのようなすべての変更および改造が含まれることが理解されるべきである。
【００６５】
本明細書（特許請求の範囲を含む）に使用される用語「含む」、「備える」、「有する」、または「構成される」は、記載された特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するものとして解釈されるべきであり、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、またはその群の存在を排除するものではない。
【図１】
2019509429.tif 000003
【図２】
2019509429.tif 000004
【図３−４】
2019509429.tif 000005
【図５】
2019509429.tif 000006
【図６】
2019509429.tif 000007
【図７】
2019509429.tif 000008
【図８】
2019509429.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月16日(2017.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・支持面に取り付けられた支持構造体と、
・前記支持構造体に回転可能に取り付けられ、前記支持面よりも高い位置にあり、複数の内部通路を有する風の取入れ部であって、前記複数の内部通路は、複数の内部隔壁によって分離されて、複数の出口と、風に対面する複数の入口との間に延在し、前記入口のそれぞれは、前記通路の１つを介して前記出口の１つと流体連通するものであって、前記取入れ部における前記入口の全ては、対向する風の流れを同時に受け入れるように向けられている、風の取入れ部と、
・前記複数の出口からの風の流れを集める出力通路であって、前記出口通路は、前記出口と流体連通しており、前記取入れ部から前記支持面に向かって下方に延在し、前記支持面にまたはその近傍に位置するタービンに風の流れを送達する、出力通路と、
を備える、風の流れをタービンに送達するためのウィンドタワー。
【請求項２】
前記通路の少なくとも一部が非直線的である、請求項１に記載のウィンドタワー。
【請求項３】
前記複数の通路が隣接している、請求項１または２に記載のウィンドタワー。
【請求項４】
前記取入れ部は、前記出力通路と流体連通する中央開口部を有し、前記複数の出口は、前記中央開口部周囲の周りに分布している、請求項１から３のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項５】
前記中央開口部は円形であり、前記複数の出口は前記中央開口部の周りに円周方向に分布している、請求項４に記載のウィンドタワー。
【請求項６】
前記複数の隔壁は、前記入口と前記出口との間に延在し、非直線状である、請求項１から５のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項７】
前記取入れ部は、前記入口が配置された、風に対面する取入れ面と、前記出口が配置された出口面とを有し、前記複数の隔壁が、前記取入れ面と前記出口面との間に延在する、請求項１から６のいずれかに記載のウィンドタワー。
【請求項８】
正面視において、前記取入れ面が正方形である、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項９】
正面視において、前記取入れ面が矩形である、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項１０】
平面視において、前記取入れ面が曲線状である、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項１１】
前記出口面は前記中央開口部によって画定される環状である、請求項４に従属する場合の請求項７から１０のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１２】
前記入口および前記出口は、前記支持面から等距離にあり、前記通路が概ね水平である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１３】
前記取入れ部は、前記取入れ部の回転を作動させて前記入口を対向する風の流れに向けるための羽根部材を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１４】
前記支持構造体は、内部を通過させて前記取入れ部への保守アクセスを容易にする通路を画定する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１５】
前記出力通路を画定する下降管を備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項１６】
複数の出力通路を集合的に画定する複数の下降管を備える、請求項１５に記載のウィンドタワー。
【請求項１７】
各出口がそれぞれの下降管に関連している、請求項１６に記載のウィンドタワー。
【請求項１８】
前記下降管が前記支持構造体を通って延在する、請求項１６または１７に記載のウィンドタワー。
【請求項１９】
前記下降管が前記支持構造体の外部にある、請求項１６または１７に記載のウィンドタワー。
【請求項２０】
前記支持構造体および前記出力通路が単一の下降管によって画定されている、請求項１５に記載のウィンドタワー。
【請求項２１】
複数の風の取入れ部を備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項２２】
前記複数の風の取入れ部は、各取入れ部が、隣接する取入れ部の上または下のレベルに位置するような積層構造を有する、請求項２１に記載のウィンドタワー。
【請求項２３】
前記取入れ部は互いに回転可能であり、前記支持構造体に対して独立して回転可能である、請求項２１または２２に記載のウィンドタワー。
【請求項２４】
前記取入れ部は互いに堅固に接続され、前記支持構造体に対して互いに回転可能である、請求項２１または２２に記載のウィンドタワー。
【請求項２５】
前記複数の取入れ部から風を集めるための複数の下降管を備え、各下降管は、関連付けられた風の取入れ部と前記支持面との間に延在する、請求項２１から２４のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項２６】
各取入れ部が単一の下降管によって供給される、請求項２５に記載のウィンドタワー。
【請求項２７】
各取入れ部が複数の下降管によって供給される、請求項２５に記載のウィンドタワー。
【請求項２８】
第１の取入れ部に関連付けられた第１の下降管が、前記第１の取入れ部の下方に位置する第２の取入れ部に向かって下方に延在し、使用時には第２の下降管が前記第１および第２の取入れ部からの風の流れを受けるように、前記第１の下降管が、前記第２の取入れ部に関連付けられた前記第２の下降管と流体連通しており、前記第２の下降管に風を送達する、請求項２６または２７に記載のウィンドタワー。
【請求項２９】
前記複数の取入れ部が積層構造で配置され、前記複数の取入れ部のうちの最下部の取入れ部に関連付けられた下降管が、前記複数の取入れ部のうちの他の前記取入れ部それぞれからの風の流れを受ける、請求項２８に記載のウィンドタワー。
【請求項３０】
前記複数の取入れ部のうちの各取入れ部が均一な寸法を有する、請求項２１から２９のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３１】
前記複数の取入れ部は積層構造で配置され、前記複数の取入れ部は寸法が不均一であり、前記最下部の取入れ部より上方の各取入れ部は直下の前記取入れ部よりも小さい、請求項２１から２９のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３２】
前記支持面が地面である、請求項１から３１のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３３】
前記支持面が乗り物上の表面である、請求項１から３２のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３４】
前記乗り物が船舶である、請求項３３に記載のウィンドタワー。
【請求項３５】
前記複数の内部通路が流線形である、請求項１から３４のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３６】
前記取入れ面の前記輪郭が流線形である、請求項１から３５のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３７】
前記取入れ部が概ね凧形状である、請求項１から３６のいずれか一項に記載のウィンドタワー。
【請求項３８】
前記取入れ面が前縁部分を有し、前記取入れ部が、使用時に前記前縁部分の風下に配置された複数の取入れ口を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項３９】
前記取入れ面が概ね正弦曲線状の輪郭を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項４０】
前記取入れ部が馬蹄形の輪郭を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【請求項４１】
前記取入れ部が半円形の輪郭を有する、請求項７に記載のウィンドタワー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年３月２１日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０１６９０１０４９号の優先権を主張し、その開示は本明細書に組み込まれるものとして理解すべきである。
【０００２】
本発明は、風の流れを受けてタービンに向けるためのウィンドタワーに関する。本発明は、比較的高い高度からの風の流れを受け、その風の流れを発電機に関連する地上のタービンに向けるのに特に適用可能である。ただし、本発明はこの用途に限定されず、風力エネルギーをタービンに送達するための任意の風力エネルギーシステムに使用できることを理解されたい。
【背景技術】
【０００３】
本発明の背景に関する以下の考察は、本発明の理解を容易にすることを意図するものである。しかしながら、この考察は、言及された資料のいずれかが公開された、既知である、または出願の優先日において共通の一般的な知識の一部であるという承認または容認ではないことを理解されたい。
【０００４】
従来のロータ型の風力タービンは、改善された再生エネルギーシステムへの継続的な推進の結果として、かなりの研究および投資の焦点となってきた。風力タービンの効率が改善することで、大部分の先進国は自国のエネルギーの供給を風力発電によって補完し、一部の国ではエネルギー需要のかなりの部分（最大４０％）を風力エネルギーから生産している。
【０００５】
各国において比較的普及が広がっているにもかかわらず、ロータベースの風力タービンにはいくつかの固有の技術的限界がある。まず、ロータおよび発電設備を大型のタワーの頂部に配置する必要があり、場合によっては地上１００ｍよりも上方に設置されるため、設置、保守、および修理のコストが高くなる。これによって、より高い卓越風にアクセス可能な背の高い風力タービンに対する要望と、その一方で、タービンの高さに直接比例する継続的な保守および修理の費用を制限したいという要望との間で妥協が必要となる。次に、長さが長く軽量であることが望ましいロータブレードは、さらに、大きな風力に耐えるために十分に強くなければならない。これらの実用上の要望によって、高い設備コストにつながる高価な材料が必要となる。ロータベースの風力タービンはさらに、例えば、過度の騒音、およびロータの近くを飛行する鳥に与える危険性など、環境に関する多くの不足点を呈している。
【０００６】
ロータベースの風力タービンに関する上記の課題に鑑み、「ウィンドタワー」として知られる代替の風力発電システムが開発されている。ウィンドタワーでは、地面よりも高い高度に位置する風取入れ口を介して風を受け入れた後、その風を地上の発電機システムに向け、または送り込む。ウィンドタワーによって、地上の発電機へのアクセスを容易にすることができ、それによって、設置、修理、および保守のコストを削減することができる。さらに、ウィンドタワーには通常ロータブレードが設けられていないため、騒音が低減され、野生動物への危険が解消される。
【０００７】
米国特許第２９９，１２７号には既存のウィンド・タワー・システムが開示されており、これは、垂直通路を介して地上のタービンに接続された高置空気取入れ口を備える。この高置取入れ口は枢動的に取り付けられており、取入れ開口を対向風に向けるための羽根を備えている。類似のウィンド・タワー・システムが米国特許第２，６１６，５０６号に開示されており、これは制限されたスロート構造を介して先細の空気噴出口に接続された先細の空気取入れ口を備える。風力駆動タービンは、回転エネルギーを生成するために前記スロート内に配置される。
【０００８】
米国特許第７，８１１，０４８号には、別の既存のウィンド・タワー・システムが開示されている。このウィンドタワーは、地上の出口と流体連通する高置取入れ口を備える。その出口に隣接してタービンが配置され、このタービンは発電機に電力を供給するために使用される。取入れ口は調節可能なノズル組立体を備え、このノズル組立体によって、風の状態の変化に応じて取入れノズルの直径が調節できる。
【０００９】
増加し続けるエネルギー需要を考慮すると、既存のウィンド・タワー・システムの少なくともいくつかの側面を改善する代替のウィンドタワー設計を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【００１０】
本発明によれば、タービンに風の流れを送達するためのウィンドタワーが提供される。このウィンドタワーは、支持面に堅固に取り付けられた支持構造体と、支持構造体に回転可能に取り付けられ、支持面よりも高い位置にあり、複数の内部通路を有する風の取入れ部であって、この複数の内部通路が、複数の内部隔壁によって分離されて、複数の出口と、風に対面する複数の入口との間に延在し、各入口が、通路の１つを介して出口の１つと流体連通しており、取入れ部における入口の全てが、対向する風の流れを同時に受け入れるように向けられている、風の取入れ部と、複数の出口からの風の流れを集める出力通路とを備え、出口通路は出口と流体連通し、取入れ部から支持面に向かって下方に延在し、支持面にまたはその近傍に位置するタービンに風の流れを送達する。
【００１１】
本発明は、有利には、入ってくる風の流れを流線化して全体の効率を向上させる、改善された取入れ口の設計を有するウィンドタワーを提供する。特に本発明の取入れ部は、取入れ部を通る空気流の流線化を容易にする個別の通路を備えている。個別の通路を設けることにより、入ってくる風の流れの所望の経路に従って、入口および出口の配置を最適化することが可能になる。
【００１２】
複数の入口は、すべての入口が対向風に対面するように風に対面している。すなわち、複数の入口は、対向する風の流れを同時に受けるように向けられる。例えば、風に対面する複数の入口は、対向する風の流れを受けるために同じ方向に向けることができる。これによって、取入れ口の少なくとも一部が常に余分となるような、放射状に外側に向けられた複数の取入れ口を有する既存のウィンドタワーに対して、有利性が得られる。有利なことに、本発明によれば、風の流れが存在するときはいつでも、全ての入口を利用することができる。
【００１３】
さらに、本発明によって効率が改善されることで、場合によっては、より高い卓越風にアクセス可能な、より背の高いウィンドタワーの建設を経済的に妥当なものにできる可能性がある。大幅に高いウィンドタワーを建設するための設備投資の増加は、既存のウィンドタワー設計を使用することでは保証されないが、本発明は、既存の設計よりもはるかに大きな電力を回収できることが期待されており、この範囲で、再生可能エネルギーインフラへのより大きな投資を正当化し得る。
【００１４】
本発明の特定の形態では、少なくともいくつかの通路は非線形であり、これにより、直線通路を用いた場合に可能なものよりも広い範囲の入口から風の流れを有利に捕捉することができる。従来のウィンドタワー、例えば米国特許第７，８１１，０４８号のタービン取入れタワーでは、必然的に、取入れノズルのすぐ下流に出力下降管を配置する。有利には、本発明における非線形通路を設けることにより、出力通路のすぐ上流以外の領域から風を捕捉することが可能になる。例えば、非直線通路によって、入口を出力通路の横方向に隣接して、または下流にも配置することができ、そして風の流れを湾曲通路を介して出口通路に向けて再誘導することが可能になる。このことから、本発明によれば、他の場合よりも多くの風を捕捉することができる。有利には、個別の非線形通路を設けることにより、従来の入口で実現可能であったものよりも幅が広い取入れ部の構築が容易になる。
【００１５】
本発明の代替の形態では、各通路は直線状であってもよい。各入口と各出口との間に複数の個別の通路を設けることは、依然として、単一のより大きな取入れ口を利用する従来技術のシステムに対して改善をもたらすものである。出力通路のすぐ上流に配置された入口は、直線通路を介して出力通路に接続されてもよく、出口通路の上流以外の位置に配置された入口は、有利には非線形通路を利用し、必要に応じて元のベクトルから出力通路に向かって風の流れを再誘導してもよいことが理解されよう。本発明のいくつかの形態では、通路は互いに隣接していてもよい。本発明の他の形態では、通路は、ある程度の余裕をもって、隣接する通路から離間されていてもよい。
【００１６】
本発明の特定の形態では、取入れ部は、出力通路と流体連通する中央開口部を有し、複数の出口が中央開口部の周囲に分布される。本発明のこの形態では、非直線状通路を使用することにより、有利には、出口の周辺へ分配される風の流れの通過を促進する。中央開口部の周りに出口を周辺分布させることによって、取入れ部を介して受ける風の流れが出力通路に均等に分配され、それによって、上流側に伝播してウィンドタワーの効率を低下させることがある流動抵抗をもたらす可能性のある、フロー狭窄を減少させるという点で、有利であることは理解されよう。本発明の特定の実施形態では、中央開口部は円形であり、複数の出口は中央開口部の周りに円周方向に分布している。
【００１７】
本発明のいくつかの形態では、取入れ部は、入口と出口との間に延在する複数の隔壁を備えてよく、この複数の隔壁によって、その間に複数の通路を画定してもよい。これに関して、各通路を、比較的薄い隔壁によってのみ分離することで、取入れ部において通路が占める容積の量を最大にしてもよい。通路の「幅」は、隣接する隔壁間の距離として定義することができる。本発明のいくつかの形態では、取入れ部は、より少ない数のより幅の広い通路を有してもよく、本発明の代替の形態では、取入れ部は、より多い数のより幅の狭い通路を有してもよい。本発明のいくつかの形態では、複数の隔壁は耐荷重性でもあり、したがって隔壁の厚さ（したがって、さらにその間の通路の間隔）は、特定の隔壁が負担するように設計された負荷の関数であってもよい。ウィンドタワーが複数のレベルの取入れ部を備える本発明の形態では、通路の幅は、耐荷重要求の変化に応じて各レベルにわたって変化してもよい。
【００１８】
取入れ部は、入口が配置された、風に対面する取入れ面と、出口が配置された出口面とを有してよく、複数の隔壁が取入れ面と出口面との間に延在してもよい。本発明のある形態では、取入れ面は平面であってよく、正方形または矩形などの２次元形状を画定してもよい。本発明の代替の形態では、取入れ面は曲線状であってもよい。本発明の特定の形態では、取入れ面は鞍状に形成されてもよく、または正弦曲線状であってもよい。有利には、取入れ面を曲線状とすることで、取入れ領域をより流線的にすることができ、それによって、上流の流れの分断を最小にし、取入れ効率を最大にすることができる。取入れ部に円形の中央開口部が設けられている本発明の形態では、上記出口面は環状であってよく、中央開口部によって画定されてよい。
【００１９】
入口および出口は、通路が概ね水平となるように支持面から等距離にあってもよい。本発明の他の形態では、通路は水平に対して傾斜していてもよい。
【００２０】
取入れ部を回転可能に取り付けることにより、取入れ部が風の方向に従って回転するための「ヨー」回転、すなわち概ね直立の軸の周りの回転が可能になる。取入れ部は、取入れ部の回転を作動させて、対向する流入に入口を向けるための羽根部材を備えてもよい。有利には、回転可能に取り付けられた取入れ部を風に対面する向きに維持し、風向きの変化にかかわらず風の取入れを最大にしてもよい。本発明のある形態では、羽根部材を、取入れ部の尾部によって画定してもよい。尾部は、取入れ部の取入れ面とは反対側の取入れ部から外側に延在してもよい。これによって、尾部が風の流れの方向に向けられることになり、それにより、取入れ面を対向流に向けて位置決めを行う。さらに尾部は、取入れ部の全体的な空気力学的プロファイルに寄与することで、ウィンドタワーに加えられる空気力を減少させ、それに伴って、ウィンドタワーの機械的強度に対する要求を減少させてもよい。本発明のいくつかの形態では、取入れ部の空気力学的中心は、取入れ部を通って進む風によって取入れ部の回転が作動されるように、回転軸の後ろ（すなわち、下流）に位置決めされてもよい。これに伴って、本発明のいくつかの実施形態では、取入れ部が、別個の羽根部材または尾部を使用することなく、風に対面する向きに自動的に自身を維持してもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、支持構造体が直立柱を画定することができる。本発明の特定の実施形態では、支持構造体は、内部を通過させて取入れ部への保守アクセスを容易にする通路を画定してもよい。本発明のある形態では、このアクセス通路は、アクセスを容易にするためにウィンドタワーの上部まで延在してもよい。
【００２２】
本発明のウィンドタワーは、出力通路を画定する下降管を備えてもよい。この点に関して、概ね垂直であり、支持面に風の流れを運ぶ下降管を設けてもよい。本発明の代替の形態では、複数の下降管が集合的に複数の出力通路を画定してもよい。本発明のこの形態のいくつかの実施形態では、各出口をそれぞれの下降管と関連付けてもよい。他の代替の実施形態では、各出口がいくつかの下降管から供給（すなわち、風を送達）されてもよい。下降管は支持構造体を通って延在してよく、または、支持構造体の外部であってもよい。本発明のいくつかの形態では、支持構造体および出力通路は、単一の下降管によって画定される。
【００２３】
本発明の特定の形態では、ウィンドタワーは複数の風の取入れ部を備える。取入れ部の配置は、サイズおよび特定のウィンドタワー設計に応じて変化してもよい。本発明の特定の形態では、複数の取入れ部は、隣接する取入れ部の上方または下方のレベルまたは階層に各取入れ部が位置するような、積層構造を有する。取入れ部の「積層」における各取入れ部は、支持構造体に、または隣接する取入れ部に回転可能に取り付けられてもよい。有利には、複数の取入れ部を設けることにより、ウィンドタワーでの風に対面する全体的な領域が増加し、したがって風の取入れ量が増加する。さらに、個別に回転可能な個別の風の取入れ部を設けることにより、風向きが高度に関連して変化する場合の風の取入れを最適化できる。この点に関し、ウィンドタワーの上方の階層の風の取入れ部を、ウィンドタワーの下方の階層の取入れ部が対面して受け入れる風向きとは異なる対向風に対面させてもよい。
【００２４】
風の取入れ部を複数設けることで、ウィンドタワーのサイズを、特定の地理的位置または他のインフラ要件に合わせて都合よく調整することができるという点でも有利である。このことから、本発明によれば、単に追加の取入れ部を既存の取入れ部に積み重ねて設置することで、より大きなウィンドタワーを構築することが可能になる。したがって本発明によって、ウィンドタワーを構築し、当初の数の風の取入れ部で予め作動させ、その後、追加の取入れ部を元の取入れ部の上に構築して増加させことができる。本発明のこの態様によって、これまで従来のウィンドタワーでは利用できなかったカスタマイズが有利に促進する。
【００２５】
入口の大きさは、ウィンドタワーの大きさに応じて変化させてもよい。しかしながら、ある程度の風力エネルギーが隔壁に対する周面摩擦によって吸収されるため、入口の大きさを増加させることで、それに比例して周面摩擦によって失われるエネルギーの量を減少させることが理解されよう。
【００２６】
特定の例によれば、本発明による比較的小さなウィンドタワーは、３つの取入れ部を備えてよく、各取入れ部は３０個の入口を有してよい。合計９０個の入口のサイズは、幅３ｃｍ、高さ３０ｃｍ（１つの入口あたり０．００９ｍ２の面積で、１つの取入れ部あたり風に対面する面積が合計で０．２７ｍ２となる）から、幅１０ｃｍ、高さ１００ｃｍ（１つの入口あたり０．１ｍ２の面積で、１つの取入れ部あたり風に対面する面積が合計で３ｍ２となる）であってよい。入口をより大きくすることは一般的に、取入れ口に比例する周面摩擦を減少させるのに望ましいが、特定のウィンドタワーにおけるサイズの制限によっては、より小さい取入れ口が好ましい場合がある。代替の例によれば、本発明に関するより大きなウィンドタワーは、幅３０ｍ、高さ３０ｍの入口（１つの入口あたり９００ｍ２の面積）を有してもよい。ただし、入口の高さの増加は構造上の考慮事項によって制限を受けるため、より大きな入口には、入口（およびより高いレベルの取入れ部の質量）を支持するためにより厚い隔壁が必要となることがある。アルミニウム材を使用した場合に推定される最大の入口高さは３０ｍである。ただし、チタン、炭素複合材などの代替のより高価な材料で取入れ部が構成されている場合には、より大きなサイズの入口が実現可能であることが理解されよう。
【００２７】
「積層された」配置で構成された取入れ部は、本質的に、「最下部」の取入れ部と「最上部」の取入れ部とを含むことが理解でき、それに伴って、本明細書におけるこれらの用語に対する参照は理解されよう。
【００２８】
上述したように、本発明のいくつかの形態では、取入れ部は互いに対して回転可能であり、支持構造体に対して独立して回転可能である。本発明の代替の形態では、取入れ部は互いに堅固に接続されてよく、支持構造体に対して相互に回転可能であってもよい。本発明のこの形態は、風を捕捉する領域の高さにわたって異なる風向に対面することが予想されないウィンドタワーに適し得る。
【００２９】
複数の取入れ部を有する本発明の実施形態では、複数の取入れ部からの風を集めるための複数の下降管を設けてよく、各下降管は、関連付けられた風の取入れ部と支持面との間に延在してよい。本発明のいくつかの形態では、各取入れ部は単一の下降管によって供給される。本発明の代替の形態では、各取入れ部は複数の下降管によって供給される。本発明の特定の実施形態では、第１の取入れ部に関連付けられた第１の下降管が、第１の取入れ部の下方に位置する第２の取入れ部に向かって下方に延在し、使用時には第２の下降管が第１および第２の取入れ部からの風の流れを受けるように、第１の下降管が、第２の取入れ部に関連付けられた第２の下降管と流体連通しており、第２の下降管に風を送達する。有利には、この構成によって、より高い取入れ部の出力を下部取入れ部の下降管に導くことが可能になる。このことから、より高い取入れ部の出力が下部取入れ部の出力を補完し、これらの出力がまとめて第２の取入れ部の下降管を通って下方に送達される。この配置は、２つの取入れ部のみに限られたものではなく、任意の数の取入れ部に拡張することができることが理解されよう。本発明の特定の形態では、複数の取入れ部のうちの最下部の取入れ部の下降管は、複数の取入れ部のうちの他の取入れ部のそれぞれからの風の流れを受ける。
【００３０】
本発明のいくつかの形態では、各取入れ部が均一な寸法を有する。本発明の代替の形態では、複数の取入れ部は積層構造で配置され、複数の取入れ部が不均一な寸法を有し、最下部の取入れ部より上方の各取入れ部は、直下の取入れ部よりも小さい。本発明のこの形態では、ピラミッド形状となるように、連続した各取入れ部のサイズを縮小してもよい。この構成では、最下部の取入れ部が最も大きな取入れ部であり、最上部の取入れ部が最も小さな取入れ部となる。有利には、本発明のこの形態では、ウィンドタワーのレベルが増加するにつれて取入れ部の質量が減少するため、構造工学の理由から好ましい場合がある。本発明の代替の形態では、各取入れ部は、等しいサイズ、すなわち均一な寸法を有してもよい。
【００３１】
本発明によるウィンドタワーは、既存の風力タービンと同様に、様々な支持面に設置することができることが理解されよう。
【００３２】
支持面は、地面であってもよい。一例として、支持面は、パドックまたは使用されていない農地などの地上の面であってもよい。あるいは、支持面は、ウィンドタワーが海または海洋で機能できる浮動プラットフォームであってもよい。別の代替案では、支持面は乗り物の表面であってもよい。特定の例では、この乗り物は船舶であってもよい。この例では、この船舶に取り付けられたウィンドタワーが、水を介して船を推進できるタービンに風を送達することができる。
【００３３】
本発明の支持構造体は、様々な代替構造によって形成することができる。本発明のいくつかの形態では、支持構造体は、支持面から上方に延在する支柱などの細長い支持部材から構成することができる。この瞬間において、取入れ部は、支柱に回転可能に取り付けられてよく、支柱の高さによって支持面よりも高い位置に配置されてもよい。複数の積層された取入れ部を備える本発明の代替の形態では、最下部の取入れ部は、地面に固定的または回転可能に取り付けられてもよく、上部取入れ部は最下部の取入れ部に回転可能に接続されてもよい。この場合、最下部の取入れ部は、上部取入れ部の支持構造体を画定してもよい。本発明のこの形態は、地上レベルにおいて平均風速が比較的高い地域、例えば丘陵地帯、または山もしくは他の風の多い地域にウィンドタワーが設置される場合に特に適し得る。本発明のさらに別の形態では、支持構造体は、例えば、取入れ部でも支柱でもない金枠などの基礎構造から構成されてよい。
【００３４】
前述のように、出力通路は、それぞれの取入れ部の出口から支持面まで延在する１つまたは複数の下降管によって画定されてもよい。支持構造体が細長い中空の支柱によって画定される場合、下降管は、支柱によって画定される中央通路を通って延在してもよい。本発明の下降管は、管状、四角形、可撓性もしくは剛性、または流体が内部を通過可能な任意の他の寸法を有してもよい。
【００３５】
本発明は、支持面に隣接して位置するタービンへの送風を改善する。本発明に関連するタービンは支持面に設置されてよく、または支持面の下もしくは支持面の上に設置されてもよいことが理解されよう。いずれの場合においても、タービンは一般に、タービンが地上より高い場所に位置する従来のロータ型風力タービンでは不可能な都合の良い設置および保守が可能になるように、支持面に「隣接」して位置することになる。本発明での使用に適した種類のタービンは当業者には一般に知られており、タービンによって風の流れから抽出された回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための適切な発電機に関連し得る。
【００３６】
上述したように、本発明によって効率が改善されることで、場合によっては、より高い卓越風にアクセス可能な、はるかに背の高いウィンドタワーの建設を経済的に妥当なものにできる可能性がある。大幅に高いウィンドタワーを建設するための設備投資の増加は、既存のウィンドタワー設計を使用することでは保証されないが、本発明は、既存の設計よりもはるかに大きな電力を回収できることが期待されており、この範囲で、再生可能エネルギーインフラへのより大きな投資を正当化し得る。より大型のウィンドタワーを建設することは、大型のウィンドタワーによって、より小型の発電機よりも通常は効率的な、より大型の発電機の使用が妥当なものとなるという点においても有利である。
【００３７】
本発明は、いくつかの実施形態では、既存の電力系統または地理的に離れた位置にある他の大きなウィンドタワーに接続することができる、背の高い高出力のウィンドタワーを備えてもよい。それに対して、小型のウィンドタワーは一般に、大幅に低い出力に適合されているため、通常は、大規模なウィンドタワー電気接続システムに関わる設備投資が妥当なものとはならない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、複数の取入れ部を備えた、本発明の第１の実施形態によるウィンドタワーの正面図である。
【図２】図２は、図１に示した取入れ部の上部断面図である。
【図３】図３は、図４に示した取入れ部の前部の近接上部斜視図である。
【図４】図４は、図２に示した取入れ部の上部斜視図であり、下降管の配置の第１の実施形態を示している。
【図５】図５は、図４に示した下降管の配置の正面斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態によるウィンドタワーの正面斜視図である。
【図７】図７は、図３、図４、および図５に示す下降管の配置に対する第２および代替の下降管の配置の断面斜視図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態によるウィンドタワーの正面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明がより完全に理解されるように、以下の図面を参照していくつかの実施形態を説明する。
【００４０】
図１は、本発明の第１の実施形態によるウィンドタワー１０を示す。ウィンドタワー１０は、地面１４を含む支持面に取り付けられた基部１２を備える支持構造体を有する。ウィンドタワー１０は、「積層された」形態で配置された１５個の風の取入れ部１６を備え、各風の取入れ部１６は、ウィンドタワー１０内の別個の階層を画定している。１５個の取入れ部１６は不均一なサイズを有し、最下部の取入れ部１８の幅が最大であり、残りの取入れ部１６のサイズは、ピラミッド形状の構造を形成するように順次小さくなっている。
【００４１】
最下部の取入れ部１８は基部１２に回転可能に取り付けられ、「積層」内の各後続の取入れ部１６は、軸受装置（図示せず）を介して下層の取入れ部に回転可能に取り付けられている。この点に関して、最下部の取入れ部１８は基部１２に直接接続されている一方で、追加の各取入れ部１６は基部１２に対して回転可能に取り付けられているが、直接的に接続されていない。このことから、各取入れ部１６は、垂直軸の周りで独立した回転運動が可能である。この配置により、各取入れ部１６は対向風に面して回転することができ、有利には、ウィンドタワー１０の高さにわたる風向の変化を、下部取入れ部１６とは異なる方向に向けることが可能なより高い取入れ部１６によって吸収できる。
【００４２】
各取入れ部１６は、図１に示す正面斜視図から確認可能な複数の入口２２を有する。各入口２２は、図２を参照して以下でさらに詳細に説明される隔壁によって分割される。入口２２は矩形であり、各取入れ部１６の下壁２４と上壁２６との間に延在している。各取入れ部１６はまた、上壁２６と下壁２４との間に延在する中央開口部２８を有する。明瞭になるように、入口２２、上壁２６および下壁２４、ならびに中央開口部２８は、最上部の取入れ部２０に関してのみ示しているが、取入れ部１６のそれぞれがこれらの特徴を含むことは理解されよう。
【００４３】
平均風速は一般的に高度とともに増加することが理解されよう。このため、ウィンドタワーの総高は、通常、より高い発電可能性へのアクセスが得られるより高い高さと、その一方で、より高い構造に伴う設備投資の増加との妥協を表す。この点において、ウィンドタワー１０の最大高さは、ウィンドタワーのための意図された位置における自然風パターン、およびプロジェクトに利用可能な資本の量に応じて変化し得る。ウィンドタワー１０の例示された実施形態では、全部で１５個の取入れ部の総高が４５０メートルとなるように、３０メートルの高さを有する取入れ部１６を備える。例示した実施形態では、ウィンドタワー１０の総高が５９０メートルとなるように、基部１２の高さは１４０メートルである。本発明によるウィンドタワーの最大高さは、タワーの構造パラメータおよび建築材料の強度対重量比によってのみ制限されることは理解されよう。
【００４４】
ここで図２を参照すると、取入れ部１６の上部断面図が示されている。この図では、複数の内部隔壁３０を示すために上壁２６は図示されておらず、複数の内部隔壁３０はその間に、関連付けられた複数の出口３４と入口２２との間に延在する複数の内部通路３２を画定している。各入口２２は、通路３２の１つを介してそれぞれの出口３４と流体連通しており、対向する風の流れＷが入口２２内に受け入れられ、通路３２を通って移送され、出口３４に送達されるのを助ける。各出口３４は、取入れ部１６を通って延在する中央開口部２８の周囲に円周方向に分布している。このことから、取入れ部１６の幅方向に受け取られる風の流れは、中央開口部２８の周りに均等に分配される。さらに、取入れ部１６の風に対面する端部または前部の通路はほぼ直線状であり、通路３２の外側は、風の流れを中央開口部２８の下流側に向け直すように湾曲していることが理解されよう。なお、取入れ部１６の全幅は中央開口部２８の直径よりも大きい。このことから、本発明の個別の非線形通路によって、より広い領域にわたって風の流れを捕捉し、風の流れを中央開口部２８内の出力通路に向け直すことが可能になる。出力通路は、中央開口部２８によって画定されてもよい。本発明の代替の実施形態では、出力通路は、開口２８内に位置する別個の導管によって画定されてもよい。本発明の特定の実施形態では、出力通路は、互いに積層された複数の取入れ部の複数の中央開口部によって集合的に画定されてもよい。
【００４５】
各取入れ部１６は、複数の入口２２によって集合的に画定される取入れ面３６を有する。図１の正面斜視図から見ると、各取入れ面３６は矩形である。図２の上部斜視図から見ると、取入れ面３６は曲線状であり、概ね正弦曲線状である。通路３２における反対側の端部では、複数の出口３４が、中央開口部２８の周辺部に対応する環状出口面を画定している。
【００４６】
各取入れ部１６は、取入れ部１６から後方に、かつ取入れ部の取入れ面３６から反対側に延在する尾部３８を有する羽根部材を備えている。風の流れを受けると、尾部３８は、風に対面する方向に取入れ面３６を向けるために、それぞれの取入れ部１６の回転を起動するように動作する。このことから、ウィンドタワー１０の各取入れ部１６は、各取入れ面３６を介した風の流れが最大になるように、風向きの変化に応じて自動的に向きを調整することができる。さらに、取入れ部１６の空気力学的中心は、取入れ部を通って進む風の流れが取入れ部の回転に寄与し、取入れ部を風に対面する方向に向けるのを助けるように、回転中心の後方（すなわち、下流）に位置している。
【００４７】
図２に示すように、通路３２は非直線的であり、各取入れ部１６を通る流れを流線型にすることを助ける。各入口２２は、各通路３２によってそれぞれの出口３４に導かれる対向する風の流れの一部を受ける「口」として機能する。有利には、複数の隔壁３０によって、取入れ部を通って中央開口部に向かう流線型の風の流れが促進される。
【００４８】
図３は、取入れ部１６の前部の近接上部斜視図である。隔壁３０の風に対面する端部は、入口２２を通って流入する風の流れの流線化を向上させるために、隔壁３０の幅に向かって先細になる丸みを帯びた前縁４８を有する。隔壁３０は、出口３４が配置されている中央開口部２８の円周で終端し、出口３４は図３の破線で示す環状の出口面３７を集合的に画定する。各出口３４に隣接して、それぞれの下降管４２が存在する。図４を参照すると、下降管４２は円形に配置され、中央開口部２８の中央部分を空けた状態で、中央開口部２８の周囲をふさいでいることが理解されよう。図１に示すように、取入れ部１６および中央領域２８は、取入れ部の階層の追加に伴ってサイズが小さくなる。これに関連して、ウィンドタワー１０の上方の階層の取入れ部からの下降管が、図４に示した中央開口部２８の空いている領域を占めるようにしてもよい。したがって、図４に示す取入れ部のすぐ上の取入れ部に関連付けられた下降管は、図４の下降管４２によって画定される円形配置よりわずかに小さい半径を有する同心円状の配列を画定し、その円形配置のすぐ内側に配置されてもよい。
【００４９】
回転する内部通路３２と静止した下降管４２との間の流体連通を可能にするために、各下降管４２の取入れ口は、出口３４に隣接して配置された（かつ出口３４とほぼ同じ大きさを有する）矩形の開口部（図示せず）を有して構成されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、下降管４２の数が出口３４の数よりも少なくてもよい。この場合、下降管４２の矩形の開口部の幅を、２つ以上の出口３４からの風の流れに適応させるために、その分だけ出口３４よりも大きくしてもよい。
【００５０】
この配置の側面輪郭が図５に部分的に示されており、一対の下降管４２が、各取入れ部１６から下方に延在するように図示されている。説明のために、図５では一対の下降管のみを示し、中央開口部２８の反対側の下降管のみを示す。ただし実際には、各取入れ部１６が、各出口３４から延在する下降管４２を有することが理解されよう。この下降管の配置によって、各取入れ部の各出口からの風の流れを、地面１４に隣接して配置されたタービン取入れ口（図示せず）に向けて送出できる。
【００５１】
ここで図６を参照すると、本発明の第２の実施形態によるウィンドタワー１１０が示されている。ウィンドタワー１１０は、積層または階層の構成で配置された２６個の取入れ部１１６を備える。本発明の第１の実施形態における独立して回転可能な取入れ部とは対照的に、取入れ部１１６は、支持構造体に対して互いに回転可能となるように互いに堅固に接続されており、支持構造体は、この第２の実施形態では、地面１１４から延在する直立の支柱１１２によって構成されている。
【００５２】
各取入れ部１１６は、その他の点においては第１の実施形態の取入れ部１６と同等である。すなわち取入れ部１１６は、尾部と、複数の入口と、通路と、中央開口部に風を送達するための出口（図示せず）とを備える。下降管の配置（図示せず）は、地面１１４に風を送達するために、支柱１１２を介して取入れ部１１６から下方に延在して設けられている。タービンおよび発電機（図示せず）は、支柱１１２の基部内に位置してよく、または支柱１１２の基部に隣接して位置してもよい。
【００５３】
隣接する取入れ部１１６の間が堅固に接続されているため、本発明のこの実施形態は、第１の実施形態のウィンドタワー１０と比較して製造がより簡単で、コストがかからない。それにもかかわらず、ウィンドタワー１１０は、ウィンドタワー１０に関して上述したように、各取入れ部１１６内の複数の入口、通路、および出口によって、既存のウィンドタワーに対する改善を示すものである。
【００５４】
ここで図７を参照すると、３層のウィンドタワー２１０の断面図が示されており、ここでは、内部の下降管の配置が示されている。簡潔にするために、この図は３層のウィンドタワーに限定している。しかしながら、この構成は、上述した本発明の第１および第２の実施の形態に示すウィンドタワー１０またはウィンドタワー１１０を含む、任意の数の取入れ部を有するウィンドタワーに適用できることが理解されるべきである。
【００５５】
図７は、支持構造体に取り付けられた３つの取入れ部２１６を備えるウィンドタワー２１０の断面図を提供するものであり、支持構造体は、地面２１４を含む支持面に取り付けられた（かつ支持面から上方に延在する）直立の支柱２１２を有する。本明細書において、この３つの取入れ部を、上部取入れ部２１６ａ、中間取入れ部２１６ｂ、および下部取入れ部２１６ｃと称する。上部取入れ部２１６ａ、中間取入れ部２１６ｂ、および下部取入れ部２１６ｃは、各取入れ部２１６（図示せず）内の各出口を介して、それぞれの風出力である出力Ｏａ、Ｏｂ、およびＯｃを送達する。３つの取入れ部は、支柱２１２および第３の下降管２４２ｃによって支持される。このことから、第３の下降管２４２ｃは、下降管として、および支持部材としての二重の機能を有する。３つの取入れ部２１６ａ、２１６ｂ、および２１６ｃは互いに堅固に接続され、第３の下降管２４２ｃの上の円形レール（図示せず）上に乗る下部取入れ部２１６ｃにより、支柱２１２および第３の下降管２４２ｃに対して回転可能に取り付けられている。
【００５６】
ウィンドタワー２１０は、上部取入れ部２１６ａ内に配置された円錐形の漏斗部材２４０を備え、この漏斗部材は支柱２１２を取り囲み、風出力Ｏａを地面２１４に向けて下向きに導くように動作する。第１の下降管２４２ａは、上部取入れ部２１６ａから下方に延在し、風出力Ｏａを下方に送達するための通路を画定する。第２の下降管２４２ｂは、中間取入れ部２１６ｂから下方に延在し、風出力Ｏｂを下方に送達するための通路を画定する。第３の下降管２４２ｃは、下部取入れ部２１６ｃから下方に延在し、風出力Ｏｃを下方に送達するための通路を画定する。図７に示すように、第１の下降管２４２ａは、第２の下降管２４２ｂの口に出力Ｏａを送達するように配置される。このことから、第２の下降管２４２ｂを通る流れは、上部取入れ部２１６ａからの流れの出力Ｏａと、中間取入れ部２１６ｂからの出力Ｏｂとを含む。第２の下降管２４２ｂの出力は、第２の下降管からの流れ（すなわち、出力ＯａおよびＯｂ）が第３の下降管２４２ｃの出力Ｏｃと合流するように、第３の下降管２４２ｃの口内に配置される。このことから、３つの取入れ部のすべての出力Ｏａ、Ｏｂ、およびＯｃは、第３の下降管を介して地面２１４に向けて送達される。ウィンドタワー２１０は、図６に示す２６層のウィンドタワー１１０に代わる３層のウィンドタワーであるが、図７に示す下降管の配置をウィンドタワー１１０に利用できることが理解されよう。この場合、図６に示す支柱１１２は、図７に示す第３の下降管２４２ｃに相当する。
【００５７】
図７に示す上記構成において、取入れ部２１６ｃ、２１６ｂ、および２１６ａは、支柱２１２および第３の下降管２４２ｃに対して（第３の下降管２４２ｃの上の円形レールによって）回転することができる。円錐形の漏斗部材２４０、第１の下降管２４２ａ、および第２の下降管２４２ｂもまた支柱２１２および第３の下降管２４２ｃに対して回転することができるように、円錐形の漏斗部材２４０、第１の下降管２４２ａ、および第２の下降管２４２ｂは、それぞれ上部、中間、および下部取入れ部２１６ａ、２１６ｂ、および２１６ｃに堅固に接続されている。言い換えれば、第２の下降管２４２ｂは、地面２１４に対して静止している第３の下降管２４２ｃ内で回転することができる。
【００５８】
代替の構成（図示せず）では、第３の下降管の上の円形レールに加えて追加の３つの円形レールが設けられる。この代替の構成では、円錐形の漏斗部材、第１の下降管、および第２の下降管のそれぞれの上にも円形レールが設けられる。この代替の構成では、第１、第２、および第３の下降管ならびに円錐形の漏斗部材は互いに堅固に接続される。したがって、３つの下降管および円錐形の支持部材は地面に対して固定され、３つの取入れ部は互いに固定されて、３つの下降管、円錐形の支持部、支持部材、および地面に対して回転することが可能になる。円錐形の漏斗部材もまた、支柱に堅固に接続されてもよい。したがって、静止した構成要素（３つの下降管および円錐形の漏斗部材）と回転可能な構成要素（３つの取入れ部）との間の境界面に合計４つの円形レールが設けられる。
【００５９】
ここで図８を参照すると、本発明の第３の実施形態による代替のウィンドタワー３１０が示されている。ウィンドタワー３１０は８個の取入れ部３１６を備え、この８個の取入れ部３１６は互いに堅固に接続され、円形レール３１２を有する支持構造体に回転可能に取り付けられている。円形レール３１２は、丘陵部３１４を有する支持面に堅固に取り付けられている。取入れ部３１６の最下部は、最下部の取入れ部３１６の下側に接続された凹形のホイール装置（図示せず）を介して円形レール３１２に回転可能に取り付けられており、それにより、最下部の取入れ部３１６による円形レール３１２の周りでの転動が促進され、最下部の取入れ部３１６（およびそれに堅固に接続された取入れ部３１６の追加の７つの層）が中心の垂直軸線の周りを回転することができるようになる。
【００６０】
取入れ部３１６が互いに堅固に接続されており、ウィンドタワー１０に関して図示されている下降管の配置を含まないことを除いて、取入れ部３１６は、図２、図３、および図４に図示した取入れ部１６と同等である。対照的に、ウィンドタワー３１０は、各取入れ部３１６内に、集合的な中央開口部３２８から構成される出力通路を備える。言い換えれば、各取入れ部３１６の風出力は中央の開口３２８に直接供給され、中央開口部３２８は、取入れ部３１６のサイズが大きくなるのに相関してウィンドタワー３１０の基部に向かって広がっている。最下部の取入れ部３１６の下には、丘陵部３１４を通って近傍の隣接するタービンおよび発電機装置（図示せず）に向かって延在する単一の出口管３４２が存在する。
【００６１】
ウィンドタワー３１０はさらに保守通路３５０を備え、この保守通路３５０は各中央開口部３２８を通って延在し、各取入れ部３１６への保守アクセスを容易にする。さらに保守通路３５０は、ウィンドタワー頂点３５２へのアクセスを提供するが、ここには比較的高い高度を考慮して無線または衛星が設置されることが望ましい。図８に示すように、保守通路３５０の一部が出口３４２を通って延在している。出口管３４２内の空力抵抗を減少させるために、保守通路３５０には、流線形の輪郭３５２（部分上面図で示す）を形成するテール３５４が設けられている。
【００６２】
上述したように、取入れ面３６は概ね曲線状である。しかしながら、本発明の代替の実施形態では、取入れ面は概ね平面であってもよい。そのような例では、取入れ隔壁の丸みを帯びた前縁４８は、共通の平面上に概ね整列される。さらなる代替案では、取入れ面を「Ｖ字」構成に配置することができる。
【００６３】
本発明によって、より高い高度から地上のタービン／発電機への風の通過を促進するだけでなく、風の流れが軽い、またはないときであっても、逆煙突効果により、ウィンドタワーを通るある程度の下向きの空気の流れが生じ得ることが理解されよう（すなわち、冷却空気が下降管を通って地面に向かって下方に落下する）。これに関して、本発明のいくつかの実施形態では、取入れ部が取り入れる風の速度にかかわらず、地面と高置の取入れ部との間の熱エネルギー差を利用して動力を発生させてもよい。
【００６４】
当業者であれば、本明細書に記載された本発明は、具体的に記載されたもの以外の変更および改造が可能であることを理解するであろう。本発明には、本発明の趣旨および範囲内に該当するこのようなすべての変更および改造が含まれることが理解されるべきである。
【００６５】
本明細書（特許請求の範囲を含む）に使用される用語「含む」、「備える」、「有する」、または「構成される」は、記載された特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するものとして解釈されるべきであり、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、またはその群の存在を排除するものではない。
【国際調査報告】
2019509429.tif 000010
2019509429.tif 000011
2019509429.tif 000012
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